CN115694525A

CN115694525A - 一种新型低功耗低复杂度有源双功能可重构智能表面单元及表面

Info

Publication number: CN115694525A
Application number: CN202211215180.6A
Authority: CN
Inventors: 刘让; 马亚男; 李明; 刘倩
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2023-02-03

Abstract

本发明提供一种新型低功耗低复杂度有源双功能可重构智能表面单元及表面，包括：对入射的电磁信号进行功率放大，得到放大后电磁信号的有源负载；接收有源负载传送的放大后电磁信号，对放大后的电磁信号进行功率分配，得到功率分配后的电磁信号的功率分配网络；接收功率分配网络传送的功率分配后的电磁信号，对功率分配后的电磁信号进行相位调制，输出调制相位后电磁信号的第一移相器；接收功率分配网络传送的功率分配后的电磁信号，输出调制相位后电磁信号的第二移相器，由于有源双功能可重构智能表面的低成本低功耗及易安装等特性，本发明可在无线通信领域广泛推广。

Description

一种新型低功耗低复杂度有源双功能可重构智能表面单元及表面

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种新型低功耗低复杂度有源双功能可重构智能表面单元及表面。

背景技术

近年来，第五代移动通信系统5G已经成为通信业和学术界的热门话题，为实现更大的网络容量增长和更多的无线设备接入，在过去的十年中，人们提出并深入研究了各种无线技术，如毫米波通信(millimeter wave mmWave)，但是在实际的系统中，要达到高质量的通信需要非常昂贵的射频链和复杂的处理电路，此外，在无线链路中添加较多的有源电路也会带来更加严重的干扰。可以通过软件控制其反射来重新配置无线传播环境的无源可重构智能表面(reconfigurable intelligent surfaces RIS)因其频谱和能量效率都较高且硬件成本较低，对于实现可持续无线网络发展是一种很具前景的解决方案，具体而言，可重构智能表面是由大量可重构的无源元件(例如，低成本印刷偶极子)组成的平面阵列，该平面阵列的每个电路元件都能在智能控制器的控制下独立地产生一定的幅度和/或相移，从而共同地改变反射信号的传播，实现方向性更高的三维反射波束成形。因此，在将来的5G/6G无线通信系统中，可重构智能表面可以提高信道容量，扩大通信覆盖范围，降低能量消耗等。

然而，无源可重构智能表面只能反射入射的信号，这意味着位于其另一侧的用户无法得到服务，为了解决这个问题，智能全表面(intelligent omni-surface IOS)被提出(参见文献：DoCoMo N T T.DOCOMO conducts world’s first successful trial oftransparent dynamic metasurface[J].2020.)，与 RIS相比，它具有信号反射和传输的双重功能，即入射到IOS的信号可以同时反射和传输到分别位于IOS同一侧和另一侧的接收端，与RIS类似，通过适当地设计和控制IOS，可以改变无线传输环境，提供360°的全方位覆盖。

但“双重衰落”效应(即通过反射链路接收到的信号受到两次大规模衰减的影响，具体而言，发射端经RIS到达接收端链路的等效路径损耗是从发射端到RIS链路和RIS到接收端链路路径损耗的乘积，而不是总和，这通常比直射链路的损耗大几千倍)的存在，无源可重构智能表面在直射链路存在的典型无线传输环境中几乎不可能实现明显的容量增益(参见文献：Najafi M, Jamali V,Schober R,et al.Physics-based modeling andscalable optimization of large intelligent reflecting surfaces[J].IEEETransactions on Communications, 2020,69(4):2673-2691)。为了克服“双重衰落”效应的物理限制，有源可重构智能表面作为一种非常有前景的解决方案最近被提出，其在典型的(存在直射路径)通信场景中也能实现明显的通信性能提升，与现有的无源可重构智能表面类似，有源可重构智能表面也可以通过控制可调相位以调整入射信号，与只反射信号而不放大信号的无源可重构智能表面不同，有源可重构智能表面可以通过集成的有源反射型放大器，如电流转换器、不对称电流镜，或者一些集成芯片，进一步放大反射信号，这种结构虽然可以提高通信性能，且硬件复杂度较低，但其无法解决服务盲区的问题，即位于有源智能表面背面的用户无法被服务。虽然放大-转发中继也可以放大并传输信号，它一般需要体积较大、耗电较多的射频链来先接收信号，然后再进行放大传输，需要两个时隙来完成放大和转发处理，若工作在全双工模式下，它会大大增加硬件的复杂性，以降低自干扰，此外，放大-转发中继直接放大接收的信号而不进行相位修正，因此，在放大-转发中继辅助的无线通信系统中，需要在接收端处进行额外的相位调整。因此，设计能全方位提高所有用户通信性能的有源可重构智能表面十分必要。

发明内容

解决了现有传输系统中无源可重构智能表面波束成形增益不足及服务范围受限的问题，而提供一种新型低功耗低复杂度有源双功能可重构智能表面单元，包括：

对入射的电磁信号进行功率放大，得到放大后电磁信号的有源负载；

接收所述有源负载传送的放大后电磁信号，对放大后的电磁信号进行功率分配，得到功率分配后的电磁信号的功率分配网络；

接收所述功率分配网络传送的功率分配后的电磁信号，对功率分配后的电磁信号进行相位调制，输出调制相位后电磁信号的第一移相器；

接收所述功率分配网络传送的功率分配后的电磁信号，对功率分配后的电磁信号进行相位调制，输出调制相位后电磁信号的第二移相器。

进一步地，还包括控制器，所述控制器分别向所述集成型放大器、功率分配网络，第一移相器和第二移相器发出由接收端信道状态信息决定的放大系数、功率分配系数及调制的相位。

一种新型低功耗低复杂度有源双功能可重构智能表面，包括M个所述的智能表面单元。

进一步地：所述智能表面单元为正方形、长方形、圆形、菱形或三角形。

进一步地：包括第一智能表面RIS-1和第二智能表面RIS-2；第一智能表面RIS-1和第二智能表面RIS-2相互对立部署；

所述第一智能表面RIS-1和所述第二智能表面RIS-2结构相同。

进一步地：所述M个智能表面单元成阵列式排列；

所述第一智能表面RIS-1可重构智能表面放大后的信号表示为：

其中：

表示从发射端到有源双功能可重构智能表面的信道，

v表示有源智能表面输入噪声及有源智能表面引起的热噪声；

表示有源双功能可重构智能表面的放大系数矩阵，

表示有源双功能可重构智能表面的放大系数向量；

发射端传输信号表示为

其中，

是发射端对第k个接收端的传输信号，并满足

是发射端对第k个接收端的波束成形。

一种多用户多输入单输出信号传输系统，包括发射端，接收端和双功能可重构智能表面；

所述发射端发射信号，发射的信号经过信道达到双功能可重构智能表面，所述双功能可重构智能表面对信号进行处理，

再将经过处理的信号通过信道到达接收端。

最大化该系统的总速率的目标方程如下：

对所述系统的总速率的的目标方程进行求解的过程如下：

S1：对目标方程进行转化，基于分式规划理论，引入辅助变量γ_k和τ_k，将原问题等价转化为易于求解的形式；

S2：更新辅助变量γ_k和τ_k，当给定其他变量时，对目标函数求导可以得到辅助变量的最优解；

S3：更新发射端波束成形：其他变量都已知时，发射端波束成形的优化问题是凸优化问题，可利用拉格朗日乘子法求解；

S4：更新有源可重构智能表面反射系数矩阵，基于黎曼流形算法，迭代求解反射系数矩阵；

S5：更新放大倍数矩阵是一个标准的二阶锥优化问题，其最优解通过各种现有的优化工具简单的求解；

S6：在得到其他优化变量之后，对功率分配系数向量

的每个元素进行迭代设计，直到收敛。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

采用更加经济节能的集成放大器、阻抗器件等基本电路元件来实现电磁信号转发放大，从而提供足够的信道增益，达到理想的通信性能，同时这种电路结构十分简单，通过基本的电路元件对入射信号进行功率放大及分配，再通过移相器进行相位调控并反射/传输出去，最大化硬件效率同时也能极大的降低功率消耗，智能可重构表面降低了对射频链的使用，因此它可以密集部署，成本和能耗都较低。

应用本发明的技术方案，通过在可重构智能表面增加有源负载，可以大大减小可重构智能表面的元件数量，降低硬件复杂度和功耗，解决了现有传输系统中无源可重构智能表面波束成形增益不足及服务范围受限的问题，通过充分利用有源可重构智能表面的灵活性和高自由度，扩大通信覆盖范围实现了360°全方位覆盖，并提高系统中所有接收用户的通信性能。

由于智能可重构表面具有低剖面、轻量化和保形几何等突出优点，它能够方便地安装在/移除于建筑物墙壁或天花板，此外，智能反射面可以实际制造为适合安装在任意形状的表面上，以适应不同的应用场景，因此其实际部署具有很高的灵活性，通过在接入点/发射端直接视距范围内的墙壁/天花板上安装智能可重构表面，可以显著提高接收用户的信号强度。将智能可重构表面集成到现有网络(如蜂窝或WiFi)中，无需对其设备的硬件和软件进行任何更改，特别是在用户密度高的室内应用中(如体育场、购物中心、展览中心、机场等)。

需要指出的是，目前提出并研究的有源双功能可重构智能表面能够放大入射信号，但在实际上，它与放大-转发中继有很大不同，有源双功能可重构智能表面与传统无源可重构智能表面的特性和硬件结构基本相同，只是将重新配置的无源负载阻抗替换为有源负载阻抗，并增加功率分配网络。虽然有源双功能可重构智能表面需要额外的功率消耗来支持其有源负载阻抗，但其基本运行机制仍然是直接调整入射电磁波信号。此外，有源双功能可重构智能表面不仅放大入射信号，而且可以重新调整其相位，使所需信号在接收端处同相叠加，

由于有源智能可重构表面具有低剖面、轻量化和低成本等突出优点，其实际部署具有很高的灵活性，可直接置于现有的任一无线通信系统中，无需对其设备的硬件和软件进行任何更改。

由于有源双功能可重构智能表面的低成本低功耗及易安装等特性，本发明可在无线通信领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中有源双功能可重构智能表面结构示意图；

图2为本发明实施例中发射端波束成形和有源智能表面联合设计算法流程图；

图3为本发明中传输功率对比总速率的仿真图；

图4为有源可重构智能表面元件数对比总速率的仿真图；

图5为用户分布情况对比总速率的仿真图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。以下对示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种应用于无线通信系统的新型低功耗低复杂度有源双功能可重构智能表面单元，包括有源负载、功率分配网络、第一移相器和第二移相器；

所述有源负载对电磁层面入射的电磁信号进行功率放大，得到放大后电磁信号；

所述功率分配网络接收所述有源负载传送的放大后电磁信号，对放大后的电磁信号进行功率分配，得到功率分配后的电磁信号；

所述第一移相器接收所述功率分配网络传送的功率分配后的电磁信号，对功率分配后的电磁信号进行相位调制，输出调制相位后电磁信号，作为反射信号；

所述第二移相器接收所述功率分配网络传送的功率分配后的电磁信号，对功率分配后的电磁信号进行相位调制，输出调制相位后电磁信号，作为传输信号；

所述有源负载通过集成型功率放大器、阻抗器件等基本电路元件来实现电磁信号转发放大；

所述双功能可重构智能表面单元由一组有源负载阻抗来支持，利用隧道二极管等电阻元件，将直流偏压功率转换为射频功率，在电磁层面上对入射信号进行功率放大，而不需要复杂和耗电量大的射频链组件，经过基础电磁元件组成的功率分配网络对信号功率分流，选择最佳的功率分配系数；与无源智能表面相比，有源可重构智能表面可以直接反射入射信号，并在电磁层面上进行功率放大，它仍然具有低成本低功耗的优势，即不需要复杂和耗电量大的射频链组件，在硬件电路设计中，有源负载可以通过利用隧道二极管等电阻元件来实现，将直流偏压功率转换为射频功率，从而放大入射信号，而不明显违背低功率预算要求。

所述第一移相器、所述第二移相器由基础电磁元件组成，通过调整电容电感的参数以调整谐振频率，从而改变反射和传输信号的相位，对信号的相位进行不同程度的调制，然后并行向前方和后方传输，使所需信号在接收端处同相叠加，以提高接收端无线通信性能。

所述第一移相器、所述第二移相器由简单的电容、电感或电阻即可实现；

集成型放大器的数量、功率分配网络的数量与有源双功能可重构智能表面元件个数相等，移相器的数量是该有源可重构智能表面元件个数的两倍，即每个该双功能可重构智能表面单元均集成有一个反射型功率放大器，一个功率分配网络，两个移相器。

该双功能可重构智能表面单元，还包括控制器，所述控制器分别向所述集成型放大器、功率分配网络，第一移相器和第二移相器发出由接收端信道状态信息决定的放大系数、功率分配系数及调制的相位。

控制器目前有两种，一种是在双功能可重构智能表面单元外接一个控制设备，一种是直接在双功能可重构智能表面单元里通过芯片控制；

根据接收端的信道状态信息调整有源可重构智能表面集成放大器的放大倍数、功率分配网络功率分配系数与对应移相器的相位取值，通过放大入射信号，并重新调整其相位，使所需信号在接收端处同相叠加，以提高接收端无线通信性能。

一种新型低功耗低复杂度有源双功能可重构智能表面，包括M个新型低功耗低复杂度有源双功能可重构智能表面单元；

所述智能表面单元为正方形、长方形、圆形、菱形或三角形。

所述M个智能表面单元成阵列式排列；有源双功能可重构智能表面结构中，元件数量的多少影响波束成形增益，当元件数量越多，波束成形增益越大；当元件数量越少，波束成形增益越小。

所述可重构智能表面包括第一智能表面RIS-1和第二智能表面RIS-2；第一智能表面RIS-1和第二智能表面RIS-2是相互对立部署的，因此假设不存在交叉传输的信号，即反射信号和传输信号互不影响。

所述第一智能表面RIS-1和所述第二智能表面RIS-2结构相同；

每面都有M个可由控制器进行调整的移相器，定义反射相移向量

和反射矩阵

其中

表示第一智能表面 RIS-1的第m个元件的相移，

和

表示有源双功能可重构智能表面的放大系数向量和矩阵，同样，定义φ₂,Φ₂表示第二智能表面RIS-2的相移向量和矩阵，经有源双功能可重构智能表面放大后的信号可以表示为：

其中

表示从发射端到有源双功能可重构智能表面的信道，v表示有源智能表面输入噪声及有源智能表面引起的热噪声。

放大后的信号被分成两个部分，其中一部分信号经移相器调相被反射给接收端k∈K_r，

此时的功率分配系数为：

另一部分信号同样经移相器调相传输给接收端k∈K_t，这部分的功率分配系数为：

通过联合设计发射端的波束成形，有源双功能可重构智能表面的放大增益矩阵，相移矩阵及功率分配系数矩阵，以实现反射和传输功能，提高所有接收端的通信性能，最大化系统的总速率。

与放大-转发中继相比，有源双功能可重构智能表面不需要价格昂贵、耗电大的射频链来先接收信号，然后再进行放大传输，基本运行机制是直接调整入射电磁波信号，对信号的放大、分配、反射/传输是同时进行的，不会引入额外的时延，此外，有源双功能可重构智能表面可以重新调整入射信号相位，使所需信号在接收端处同相叠加，而放大-转发中继直接放大接收的信号而不进行相位修正，需要在接收端处进行额外的相位调整。

每个可重构元件由一组有源负载阻抗来支持，利用隧道二极管等电阻元件，将直流偏压功率转换为射频功率，在电磁层面上对入射信号进行功率放大，而不需要复杂和耗电量大的射频链组件，经过基础电磁元件组成的功率分配网络对信号功率分流，选择最佳的功率分配系数，最后经过两个相应的基础电磁元件组成的移相器，对信号的相位进行不同程度的调制，然后并行向前方和后方传输，使所需信号在接收端处同相叠加，以提高接收端无线通信性能。这种基于基础电磁元件的有源双功能可重构智能表面系统架构的具体优势主要体现在以下几方面：所需要的电路元件简单，实现起来也比传统的转发-放大中继简单，且消耗的功率也很小。如图1所示，对于传统的无源智能反射面来说，可能会出现谐振损耗的问题(不同频率幅度响应不恒定为一)，因此在宽带通信系统中，可以利用基于隧道二极管的有源负载阻抗对不同幅度信号衰减提供增益补偿，以改善谐振损耗的问题。最后值得提出的是，有实验表明，通常45μW的直流功耗就可以支持40dB的功率增益，而基础电磁元件组成的功率分配网络和移相器不耗电，因此，本发明提出的结构总的能耗非常小，并且硬件复杂度也很低。

本发明还提供了一种应用上述新型有源双功能可重构智能表面的信号传输系统，包括发射端、接收端及该可重构智能表面。

所述发射端发射信号，所述发射端可以是基站；

发射的信号经过信道到达双功能可重构智能表面，所述双功能可重构智能表面对信号进行处理，

再将经过处理的信号通过信道到达接收端，所述接收端可以是用户；

实施例1

下面以有源双功能可重构智能表面辅助的无线通信系统设计为例，对本发明的技术方案做进一步说明。

以一种多用户多输入单输出无线通信系统为例，利用本发明所述的具有反射和传输双功能有源可重构智能表面辅助的无线通信系统结构，其中配备 N根天线的发射端借助双功能有源可重构智能表面与K个单天线接收端进行通信，接收端集用集合

表示；

一些接收端位于有源可重构智能表面周围，由面向他们的一侧提供服务 (记为RIS-1)，同时，其他接收端由于位于有源可重构智能表面的背面，与发射端的直射链路被阻断，无法收到来自发射端或者RIS-1反射的足够强的信号，这导致相应的通信服务质量很低。接收来自第一智能表面RIS-1的反射信号的接收端集合用K_r表示，接收来自第二智能表面RIS-2的传输信号的接收端集合用K_t表示，并满足

双功能有源可重构智能表面有M个可重构的元件，可由控制器进行调整，定义反射系数向量

和反射矩阵

其中

表示智能表面RIS-1的第m个元件的相移。

和

表示有源智能表面的放大系数向量和矩阵，同样，定义φ₂,Φ₂表示RIS-2的相移向量和矩阵。

发射端传输信号可以表示为

其中，

是发射端对第k个接收端的传输信号，并满足

是发射端对第k个接收端的波束成形。

经有源可重构智能表面放大后的信号可以表示为：

其中

表示从发射端到有源智能表面的信道，v表示有源智能表面输入噪声及引起的热噪声；

放大后的信号被分成两个部分，其中一部分信号经角度调制被反射给接收端k∈K_r，功率分配系数为：

另一部分信号同样经角度调制传输给接收端k∈K_t，功率分配系数为：

对于第k个接收端，k∈K_r，被第一智能表面RIS-1服务，因此这些接收端接收到的信号可以表示为：

其中：

和

分别表示从发射端到第k个接收端和从有源智能表面到第k个接收端的信道，

表示第k个接收端接收到的方差为

的复加性高斯白噪声，因此，第k个位于反射区域接收端的信干燥比 (signal-to-interference-plus-noise ratio SINR)可以表示为：

其中

表示从发射端到第k个接收端的等效信道。

对于位于双功能有源可重构智能表面背面的接收端来说，由于智能表面的遮挡和严重的路径衰减，发射端到

中的接收端没有直射链路，基于此，位于

中的第k个接收端接收到信号的信干噪比SINR可以表示为：

其中：

表示从发射端到

中的第k个接收端的等效信道；

基于上述的反射-传输双功能有源可重构智能表面辅助的多接收端无线通信系统，通过联合设计发射端的波束成形w_k,k∈K,有源智能表面的放大增益矩阵A，相移矩阵Φ₁,Φ₂及功率分配系数矩阵E₁,E₂，最大化系统的总速率并考虑如下限制条件：

(1)发射端发射功率限制，即

P_T为发射端最大发射功率；

(2)有源可重构智能表面放大功率限制，即

P_R为有源可重构智能表面最大放大功率；

(3)有源智能表面每个元件放大功率限制，即

其中

表示从发射端到有源智能表面第m个元件的等效信道，也即矩阵G的第m行，P_m为有源可重构智能表面第m个元素的最大功率限制(且由于电路的热负载，P_m满足

)；

(4)反射和传输的功率比约束，即

(5)相移模为一的限制，即|φ₁(m)|＝1,|φ₂(m)|＝1,

Figure 128567DEST_PATH_GDA00040127754100001214

因此，目标方程可表示为如下形式：

显然这一优化问题是非凸的，且由于模为一的约束和变量之间的耦合，难以直接求解。

因此，对于上述问题本文提出以下具有局部最优解的解决方案。具体来讲，采用块坐标上升法来迭代更新每个变量，迭代求解发射端波束成形、有源可重构智能表面放大倍数、相移矩阵和功率分配矩阵，流程图如图2 所示，步骤如下：

S5：更新放大倍数矩阵是一个标准的二阶锥优化问题，其最优解可以通过各种现有的优化工具(如CVX)简单的求解。

S6：在得到其他优化变量之后，我们对功率分配系数向量

的每个元素进行迭代设计，直到收敛，通过目标方程的值基本不变即判断为收敛。

图3为本发明中传输功率对比总速率的仿真图；

图4为有源可重构智能表面元件数对比总速率的仿真图；

图5为用户分布情况对比总速率的仿真图，基于本发明提出的架构，有源双功能可重构智能表面总是可以实现更好的通信性能，

并且从图5的仿真结果可看出，本发明提出的架构对于接收端的任意分布情况都具有十分明显的优势。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。